DE4218668C2

DE4218668C2 - Kolbenring

Info

Publication number: DE4218668C2
Application number: DE4218668A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Tsuchiya; Shuji Sameshima; Yoshio Onodera; Satoshi Kawashima
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1991-06-07
Filing date: 1992-06-05
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2012-06-06
Also published as: JPH04362371A; GB9212073D0; GB2256467B; GB2256467A; DE4218668A1; JP3075368B2; US5405154A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring zur Aufnahme in der Kolbennut eines Kolbens einer Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein solcher Kolbenring ist aus der DE 35 01 822 A1 bekannt.

Bei dem bekannten Kolbenring ist die nitriergehärtete Schicht an der inneren Umfangsfläche abgetragen, um auf diese Weise einer Rißbildung vorzubeugen, die als Folge der durch die Nitrierhärtung herbeigeführten Versprödung der inneren Umfangsfläche, d. h. der der Kolbennut zugewandten Umfangsfläche, entstanden ist.

Aus der DE-AS 10 69 980 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Gleiteigenschaften von im Salzbad nitrierten, gußeisernen Kolbenringen bekannt, bei welchen die oberste Schicht der nitrierten Oberflächen durch anodisches Beizen im sauren Medium entfernt wird.

Üblicherweise weist ein Verbrennungsmotor mehrere Kolben-Zylinder- Baueinheiten auf, die jeweils einen Kolben besitzen, der mit mehreren an ihrer Umfangsfläche ausgebildeten ringförmigen Kolbennuten und mit Kolbenringen versehen ist, die einen Verdichtungsring und einen Ölabstreifring umfassen und in diese Kolbennuten eingepaßt sind, der art, daß die Gleitoberflächen dieser Ringe mit den Innenwänden des Zylinders in gleitendem Kontakt sind, wenn sich der Kolben im Zylin der hin und her bewegt.

In der letzten Zeit sind Verbrennungsmotoren entwickelt worden, bei denen durch hohe Drehzahlen und hohe Verdichtungsverhältnisse, eventuell unter Verwendung eines Turboladers, eine Leistungssteige rung erzielt werden soll. Daher müssen Kolbenringe geschaffen wer den, die für derartige Verbrennungsmotoren geeignet sind und daher eine verbesserte Struktur und eine erhöhte Qualität aufweisen müssen.

Ferner wird zwar im Hinblick auf die Umweltverschmutzung die Ver wendung von bleifreien Kraftstoffen empfohlen, andererseits wird in verschiedenen Ländern noch immer in verhältnismäßig großem Um fang bleihaltiger Kraftstoff verwendet. Der Innenraum der Kolben-Zy linder-Baueinheit eines bleihaltigen Kraftstoff verwendenden Verbren nungsmotors wird in hohem Maß von einer korrosiven Atmosphäre oder Umgebung wie etwa HCl oder H₂SO₄ beherrscht. Um den durch die korrosive Umgebung verursachten Abrieb des Kolbenrings so weit wie möglich zu unterdrücken, sind Kolbenringe mit Gleitoberflächen entwickelt worden, die einer Nitrierhärtung unterzogen worden sind, um den Gleitoberflächen der Kolbenringe Abriebschutz- und Korrosi onsschutzeigenschaften zu verleihen. Wenn jedoch der Kolbenring, der einer Nitrierhärtung unterzogen worden ist, in der Kolben-Zylinder- Baueinheit eines Verbrennungsmotors mit hoher Drehzahl und hohem Verdichtungsverhältnis verwendet wird, muß er außerdem eine Anti brucheigenschaft besitzen.

Ein herkömmlicher Verdichtungsring, der einen Kolbenringtyp für einen Verbrennungsmotor darstellt, umfaßt ein Stahl-Basiselement mit einer Oberfläche, auf der durch die Nitrierhärtung eine Nitrierschicht ausgebildet ist. Bei einer solchen Nitrierhärtung wird auf einem Ober flächenbereich der Nitrierschicht eine Verbindungsschicht, die im fol genden als "weiße Schicht" bezeichnet wird, ausgebildet, die eine po röse Form mit großer Härte und Sprödigkeit besitzt, wobei in einer Nachbearbeitung lediglich die auf der Gleitoberfläche des Kolbenrings ausgebildete poröse weiße Schicht entfernt wird. Auf diese Weise wird der Kolbenring als Endprodukt gefertigt. Folglich verbleibt die harte und spröde, poröse weiße Schicht in den Eckbereichen und/oder an der Oberseite und an der Unterseite des Basiselementes des so gefertigten Endprodukts zurück.

Ein bekanntes Material für das Basiselement besitzt - in Gewichts- % - beispielsweise die folgende Zusammensetzung: C: 0,85 bis 0,95, Si: 0,35 bis 0,5, Mn: 0,25 bis 0,40, Cr: 17,00 bis 18,00, Mo: 1,00 bis 1,25, V: 0,08 bis 0,15 und ein Gleichgewicht aus Fe und einer unver meidlichen Verunreinigung; eine andere mögliche Zusammensetzung ist - in Gewichts-% - beispielsweise folgendermaßen gegeben: C: 0,87 bis 0,93, Si: 0,20 bis 0,40, Mn: 0,20 bis 0,40, Cr: 21,00 bis 22,00, Mo: 0,20 bis 0,40, Ni: 0,90 bis 1,10 und ein Gleichgewicht aus Fe und einer unvermeidlichen Verunreinigung.

Wenn der Verdichtungsring des obenbeschriebenen Typs bei Einpas sung in eine im Kolben des Verbrennungsmotors ausgebildete Kolben nut verwendet wird, stößt der Verdichtungsring durch Kontraktions- oder Expansionsbewegungen in radialer Richtung des Kolbenrings und durch vertikale Bewegungen in axialer Richtung desselben mit der Kol bennut wiederholt zusammen. Wenn die porösen, harten und spröden weißen Schichten in den Eckbereich und/oder in der Umgebung der Eckbereiche des Basiselementes des Verdichtungsrings verblieben sind, werden bei solchen Bewegungen in diesen Bereichen Risse ausgebildet. Derartige Risse nehmen zu und können schließlich zum Bruch des Ver dichtungsrings führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenring der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung so auszubilden, daß trotz einer im Stande der Technik üblichen Nitrierbehandlung ein Kolbenring erhalten wird, welcher weniger rißanfällig ist als ein Kolbenring nach dem Stand der Technik.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Nitrierhärten von Stahl-Kolbenringen zu Nitrierschichten führt, deren äußere Schicht eine große Härte und Sprödigkeit besitzt und als "weiße Schicht" bezeichnet wird. Diese harten, spröden, weißen Schichten sind die Ursache von Rissen, welche zum Bruch des Kolbenringes führen können.

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ergibt sich in erster Linie daraus, daß es durch das vollständige Entfernen der äußeren weißen Schicht im Bereich der Gleitoberfläche sowie durch das Vermindern der Dicke der äußeren weißen Schicht in den Bereichen der ersten und zweiten Oberflächen sowie in den Eckbereichen auf weniger als 5 µm nicht mehr passieren kann, daß sich unerwünschte Risse in einer zu spröden äußeren Nitrierschicht ausbilden.

Es sei bemerkt, daß nach dem Stande der Technik die Nitrierschichten, die auf den ersten und zweiten Oberflächen sowie in den Eckbereichen ausgebildet sind, eine Dicke von etwa 20 µm aufweisen. Wirkt auf diese dicken Schichten ein Stoß ein, so bilden sich leicht Risse. Durch das Verringern der äußeren weißen Schicht auf weniger als 5 µm in den genannten Bereichen wird dort die Widerstandsfähigkeit der (verbleibenden) Nitrierschicht gegen Stoßbeaufschlagung verbessert. Sollte es doch zur Rißbildung kommen, so können sich solche Risse dank der verminderten Schichtdicke der Nitrierschicht nicht in große Tiefen ausbreiten, was eine Beeinträchtigung der Dauerfestigkeit des Kolbenringes beeinträchtigen würde.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausfüh rungsform mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Verdichtungsrings, der ein Beispiel für einen Kolbenring darstellt, auf den die vorlie gende Erfindung anwendbar ist;

Fig. 2 eine teilweise im Schnitt dargestellte perspektivische Ansicht des Verdichtungsrings von Fig. 1, bei dem das Basiselement des Rings einer Nitrierhärtung unterzogen worden ist;

Fig. 3 einen Querschnitt des Basiselementes des Rings vor der Ni trierhärtung;

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich derjenigen von Fig. 2, jedoch bezogen auf Fig. 3;

Fig. 5 einen Querschnitt des Basiselementes, bei dem die durch die Nitrierhärtung ausgebildete weiße Schicht lediglich von der Gleitoberfläche des Verdichtungsrings von Fig. 4 vollständig entfernt ist und von der Oberseite und der Unterseite und von den Eckbereichen des Verdichtungsrings soweit abgetragen ist, daß die Dicke der darauf ausgebildeten Bereiche der wei ßen Schicht auf ungefähr 5 µm oder weniger verringert ist; und

Fig. 6 einen Querschnitt des Basiselementes, bei dem die zurück bleibende weiße Schicht von sämtlichen Oberflächen des Ba siselementes vollständig entfernt ist.

In Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Verdichtungsrings ge zeigt, der ein Beispiel eines Kolbenrings darstellt, auf den die vorlie gende Erfindung angewendet werden kann. Der Kolbenring P, d. h. der Verdichtungsring, ist aus Stahl hergestellt und besitzt eine ringartige äußere Form mit einem ausgeschnittenen Bereich. Der Kolbenring P kann beispielsweise die typische Form besitzen, deren Querschnitt in Fig. 2 gezeigt ist. In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel umfaßt der Kol benring P ein Basiselement 1 aus Stahl mit im wesentlichen rechtecki gem Querschnitt und vier abgeschrägten Eckbereichen 4 und 5. Der Kolbenring P besitzt eine äußere Oberfläche, auf der eine Nitrier schicht 2 durch Nitrierhärtung ausgebildet ist, wodurch eine Oberseite, eine Unterseite und Seitenflächen 6, 7 und 3 wie gezeigt geschaffen werden. Bei der Nitrierhärtung wird wie oben beschrieben auf der Oberfläche der Nitrierschicht eine weiße Schicht in poröser Form mit großer Härte und Sprödigkeit ausgebildet. Die Seitenfläche 3 dient als Gleitoberfläche.

In Fig. 3 ist der Querschnitt eines Kolbenrings, genauer eines Ver dichtungsrings 10 vor der Nitrierhärtung gezeigt. Der Kolbenring um faßt ein Basiselement 11, das aus rostfreiem Stahl wie etwa X20Gr13 hergestellt ist und eine äußere Umfangsfläche besitzt, die als Gleitober fläche 12 wirkt und mit der Innenwand eines Zylinders des Verbren nungsmotors in Kontakt ist, wenn der Verdichtungsring 10 in die Kolbennut des Kolbens eingesetzt ist. Das Basiselement 11 umfaßt ferner eine als erste Seite bezeichnete Oberfläche 14, die mit der Gleitoberfläche 12 über einen Eckbereich 13 ohne Unterbrechung verbunden ist, eine als zweite Oberflläche bezeichnete Unterseite, die mit der Gleitoberfläche 12 über einen Eckbereich 15 ohne Unterbrechung verbunden ist, und eine innere Umfangsfläche 17, die sich der Kolbennut gegenüber befindet, wenn der Kolbenring in diese Nut eingepaßt ist.

In Fig. 2 ist der Zustand gezeigt, in dem die Oberfläche des Basisele mentes 11 mit Stickstoff behandelt worden ist, wobei dieser Zustand im folgenden mit Bezug auf die Fig. 4 bis 6 im einzelnen beschrieben wird. Für diese Bearbeitung kann eine Nitrierhärtung oder eine Weich nitrierung verwendet werden.

Wie in Fig. 4 gezeigt, wird bei einer solchen Nitrierhärtung auf der ge samten Außenfläche des Basiselementes 11 eine Nitrierschicht ausge bildet, außerdem wird nach Anwendung der Nitrierhärtung auf der Oberfläche der Nitrierschicht eine Verbindungsschicht aus Nitriden und Karbonitriden ausgebildet, die als "weiße Schicht" bezeichnet wird, weil sie bei Betrachtung mit einem optischen Mikroskop weiß er scheint. Die weiße Schicht 20 hat poröse Form und besitzt eine große Härte und eine große Sprödigkeit. Zwischen dem Basiselement 11 und der weißen Schicht 20 wird außerdem eine Diffusionsschicht 19 ausge bildet. In der weißen Schicht 20 und in der Diffusionsschicht 19 ist eine Verbindung vorhanden, die durch die Kombination von Stickstoff mit Fe, Cr und dergleichen gebildet wird; hierbei diffundiert der Stickstoff allmählich von der Außenfläche nach innen, so daß die Dichte des Stickstoffs in Richtung der Innenseite der Schicht allmählich abnimmt.

Wie in Fig. 5 gezeigt, wird erfindungsgemäß die auf der Gleitoberflä che 12 ausgebildete weiße Schicht 20 durch einen mechanischen Vor gang entfernt, um die Diffusionsschicht 19, die eine Härte besitzt, die größer als die im voraus festgelegte Härte ist, freizulegen, außerdem wird die Dicke der weißen Schicht 20 auf der Oberseite 14 und auf der Unterseite 16 und in den Eckbereichen 13 und 15 durch einen mechani schen Vorgang auf eine Dicke verringert, die geringer als 5 µm ist und 0 µm betragen kann. Wenn beim herkömmlichen Verdichtungsring, bei dem die weiße Schicht eine Dicke und ungefähr 20 µm besitzt, diese weiße Schicht in einem Zeitpunkt, in dem sich der Verdichtungsring 10 in ra dialer Richtung zusammenzieht oder ausdehnt oder sich in axialer Richtung vertikal bewegt, diese weiße Schicht wiederholt mit der Kol bennut zusammenstößt, besteht einerseits die Gefahr, daß in der ver bleibenden weißen Schicht durch solche wiederholten Stöße Risse ent stehen, andererseits besteht die Gefahr, daß ein abnormaler Abrieb des Kolbenrings und unzulässige Rückstände aufgrund des durch die ab fallende weiße Schicht entstehenden Abriebpulvers verursacht werden. Derartige Gefahren können durch die Verringerung der Dicke der wei ßen Schicht auf weniger als 5 µm beseitigt werden, was durch die im folgenden beschriebenen Experimente empirisch bestätigt worden ist.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist es außerdem möglich, die weiße Schicht 20, die auf den Oberflächen 14 und 16 und in den Eckbereichen 13 und 15 zurückbleibt, vollständig zu entfernen.

In der vorliegenden Ausführungsform wird die weiße Schicht 20 unter Verwendung einer schwach konzentrierten sauren Lösung wie etwa H₂SO₄ oder HCl oder durch eine mit einem Schleifstein versehene Schleifvorrichtung entfernt.

Für ein weiteres Verständnis der vorliegenden Erfindung werden im folgenden beispielhafte Experimente beschrieben, die von den Erfin dern der vorliegenden Anmeldung ausgeführt worden sind. In den Ex perimenten A bis D wurde für die Abtragung der weißen Schicht zur Verringerung ihrer Dicke auf weniger als 5 µm eine schwach konzen trierte saure chemische Lösung verwendet. D. h., daß der Verdich tungsring in eine solche saure chemische Lösung eingetaucht wurde, um die weiße Schicht abzutragen. Die Konzentration der verwendeten chemischen Lösung, die Bearbeitungstemperatur und die Bearbeitungs dauer können als Faktoren betrachtet werden, die auf die Abtragung der weißen Schicht einen Einfluß besitzen, sie werden jedoch im Hin blick auf die Bearbeitbarkeit, die Sicherheit und die Verbrauchskosten optional festgelegt, um die Dicke der weißen Schicht auf weniger als 5 µm zu verringern.

Experiment A

Im Experiment A wurde unter den folgenden Versuchsbedingungen ein Dauerversuch ausgeführt, wobei anschließend die Dauerfestigkeit des erfindungsgemäß hergestellten Kolbenrings mit der Dauerfestigkeit ei nes auf herkömmliche Weise hergestellten Kolbenrings verglichen wurde.

1. Versuchseinrichtung

Kolbenring-Dauerversuchsein richtung.

2. Versuchsbedingungen

Wiederholte Ausübung einer Beanspruchung zwischen 0 kg/mm² und 50 kg/mm² in einer H₂SO₄- Lösung mit einem pH-Wert von 3,5, bis der Kolbenring bricht.

3. Versuchsmaterialien a. Herkömmliches Produkt

Ein Stahl-Basismaterial mit der Zusam mensetzung (in Gewichts-%) C: 0,87, Si: 0,42, Mn: 0,30, Cr: 17,50, Mo: 1,03, V: 0,01 und einem Gleichgewicht aus Fe und einer unver meidbaren Verunreinigung wurde einer Nitrierhärtung unterzogen, an schließend wurde lediglich der auf der Gleitoberfläche des Basismateri als ausgebildete Bereich der weißen Schicht mit harter und spröder Ei genschaft abgetragen, wobei die in den Eckbereichen und an den Au ßenflächen des Basiselementes ausgebildeten weißen Schichten jeweils eine Dicke von ungefähr 20 µm besaßen.

b. Erfindungsgemäßes Produkt

Ein Stahl-Basismaterial mit einer Zusammensetzung, die im wesentlichen gleich derjenigen des her kömmlichen Produktes war, wurde einer im wesentlichen gleichen Ni trierhärtung unterzogen. Anschließend wurde das Basismaterial in eine schwach konzentrierte saure Lösung getaucht, um die weiße Schicht mit sehr harter und spröder Eigenschaft abzutragen. Die Bedingungen für die Abtragung der weißen Schicht und die verbleibenden Beträge der weißen Schicht waren die folgenden:

Abtragungsbedingungen der weißen Schicht:
Bearbeitungsflüssigkeit: H₂SO₄-Lösung
Konzentration der Lösung: 1,2%
Bearbeitungstemperatur: 35°C
Bearbeitungsdauer: 13 Min

Dicke (Betrag) der verbleibenden weißen Schicht am Endprodukt:
Gleitoberfläche: 0 µm
Oberseite: 0 µm
Unterseite: 0 µm
Innere Umfangsfläche: 0 µm
Eckbereiche: 0 µm

4. Versuchsergebnis

Das Versuchsergebnis ist in der folgenden Ta belle 1 gezeigt. Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich, zeigte das erfin dungsgemäße Produkt eine mehr als zehnmal so große Dauerfestigkeit wie das herkömmliche Produkt.

Tabelle 1

Experiment B

Im Experiment B wurde der Dauerversuch unter den folgenden Versuchsbedingungen ausgeführt, wobei anschließend die Dauerfestigkeit des ein Endprodukt darstellenden Kolbenrings, der gemäß der Erfindung hergestellt wurde, mit der Dauerfestigkeit eines auf herkömmliche Weise hergestellten Kolbenrings verglichen wurde. In diesem Experiment B wurde ein Stahl-Basiselement aus einem Material verwendet, das sich von dem Material im Experiment A unterscheidet.

1. Versuchseinrichtung

Wie im Experiment A.

2. Versuchsbedingungen

Wie im Experiment A.

3. Versuchsmaterialien a. Herkömmliches Produkt

Ein Stahl-Basismaterial mit der Zusam mensetzung (in Gewichts-%) C: 0,91, Si: 0,30, Mn: 0,29, Cr: 21,63, Mo: 0,30, Ni: 0,99 und einem Gleichgewicht aus Fe und einer unver meidbaren Verunreinigung wurde einer Nitrierhärtung unterzogen; an schließend wurde nur der auf der Gleitoberfläche des Basismaterials ausgebildete Bereich der weißen Schicht mit harter und spröder Eigen schaft abgetragen, wobei Teile der weißen Schicht, die an den Eckbe reichen und auf den übrigen Oberflächen des Basiselementes vorhanden waren, jeweils eine Dicke von ungefähr 20 µm besaßen.

b. Erfindungsgemäßes Produkt

Ein Stahl-Basismaterial mit einer Zusammensetzung, die im wesentlichen gleich derjenigen des her kömmlichen Produktes war, wurde einer Nitrierhärtung unterzogen, die im wesentlichen gleich wie beim herkömmlichen Produkt war. Da nach wurde das Basismaterial in eine schwach konzentrierte saure Lö sung eingetaucht, um die sehr harte und spröde weiße Schicht abzutra gen. Die Bedingungen für die Abtragung der weißen Schicht und die Restmenge der weißen Schicht waren die folgenden:

Abtragungsbedingungen für die weiße Schicht:
Sämtliche gleich wie im Experiment A

Dicke (Betrag) der verbleibenden weißen Schicht am Endprodukt:
Gleitoberfläche: 0 µm
Oberseite: 0 µm
Unterseite: 0 µm
Innere Umfangsfläche: 3 µm
Eckbereiche: 3 µm

4. Versuchsergebnis

In der folgenden Tabelle 2 ist das Versuchser gebnis gezeigt. Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich, zeigte das erfin dungsgemäße Produkt eine Dauerfestigkeit, die mehr als zehnmal so groß wie beim herkömmlichen Produkt war.

Tabelle 2

Experiment C

Im Experiment C wurde ein Dauerversuch unter den folgenden Ver suchsbedingungen ausgeführt, wobei anschließend die Dauerfestigkeit des ein Endprodukt darstellenden Kolbenrings, der auf die erfindungs gemäße Weise hergestellt wurde, mit der Dauerfestigkeit eines auf her kömmliche Weise hergestellten Kolbenrings verglichen wurde. In die sem Experiment C wurde im wesentlichen das gleiche Stahl-Basismate rial wie im Experiment B verwendet, andererseits wurden die Ver suchsbedingungen geändert.

1. Versuchseinrichtung

Wie im Experiment A.

2. Versuchsbedingungen

Die Dauerfestigkeit wurde anhand der S-N-Kurve in einer Luftatmosphäre gewonnen.

3. Versuchsmaterialien a. Herkömmliches Produkt

Wie im Experiment B.

b. Erfindungsgemäßes Produkt

Wie im Experiment B.

4. Versuchsergebnis

In der folgenden Tabelle 3 ist das Versuchser gebnis gezeigt. Wie aus der Tabelle 3 ersichtlich, zeigte das erfin dungsgemäße Produkt eine höhere Dauerfestigkeit als das herkömmli che Produkt.

Versuchsmaterial
Dauerfestigkeit
Herkömmliches Produkt
57 kg/mm²
Erfindungsgemäßes Produkt	85 kg/mm²

Experiment D

An den in den Experimenten A und B hergestellten Produkten wurden Lebensdauerprüfungen ausgeführt, indem sie im folgenden Versuchs- Verbrennungsmotor eingesetzt wurden, wobei festgestellt wurde, ob gebrochene Teile vorhanden sind oder nicht.

1. Versuchsmotor

Wassergekühlter Motor (2800 ccm), 4-Zylinder-Reihen-Diesel motor.

2. Versuchsbedingungen

Vom Leerlauf bis 4750 min^-1 (aufwärts/abwärts), 200 000 Zyklen (ungefähr 420 Stunden).

3. Versuchsprodukte

Erster Zylinder: Erfindungsgemäßes Produkt (1) des Experimentes B.

Zweiter Zylinder: Herkömmliches Produkt (2) des Experimentes A.

Dritter Zylinder: Herkömmliches Produkt (3) des Experimentes B.

Vierter Zylinder: Erfindungsgemäßes Produkt (4) des Experimentes A.

4. Versuchsergebnis

In der folgenden Tabelle 4 ist das Versuchser gebnis gezeigt. Aus der Tabelle 4 ist ersichtlich, daß die Kolbenringe der Versuchsprodukte im zweiten und im dritten Zylinder in diesem Experiment D brachen.

Tabelle 4

Wie aus den Versuchsergebnissen der oben beschriebenen Experimente ersichtlich ist, konnte durch die Abtragung der weißen Schicht gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung eine erhebliche Ver besserung der Dauerfestigkeit erzielt werden, ferner trat während des Motorbetriebs kein Bruch der erfindungsgemäßen Kolbenringe auf. Dadurch wurde empirisch bestätigt, daß die Verwendung des erfin dungsgemäßen Verdichtungsrings insbesondere bei Verbrennungsmoto ren vom Typ mit hoher Drehzahl und hoher Verdichtung besonders wirksam ist.

Experiment E

Im Experiment E wurden die Eckbereiche 13 und 15 und die Oberseite und die Unterseite 14 bzw. 16 des Kolbenrings 10, d. h. des Verdich tungsrings (wie er z. B. in Fig. 5 gezeigt ist) durch ein Schleifverfahren unter Verwendung eines Schleifsteins oder einer Schleifwalze abgetra gen, derart, daß die Dicke 5 µm oder weniger betrug.

Ferner wurde im Experiment E der Dauerversuch auf die folgende Weise ausgeführt, wobei anschließend die Versuchsergebnisse zwi schen dem herkömmlichen Produkt und dem erfindungsgemäßen Pro dukt verglichen wurden.

1. Versuchseinrichtung

Wie im Experiment A.

2. Versuchsbedingungen

Wie im Experiment A.

3. Versuchsmaterial a. Herkömmliches Produkt

Wie im Experiment B.

b. Erfindungsgemäßes Produkt

Ein Stahl-Basiselement (wie im Ex periment B) wurde einer Nitrierhärtung unterzogen, anschließend wur den die auf den Eckbereichen, der Oberseite und auf der Unterseite ausgebildeten weißen Schichten unter Verwendung eines Schleifsteins abgetragen. Für das Schleifverfahren wurde ein Naßbearbeitungsver fahren verwendet.

Die verbleibenden Dicken (Beträge) der weißen Schichten waren die folgenden:

Dicke (Betrag) der verbleibenden weißen Schichten im Endprodukt:
Gleitoberfläche: 0 µm
Oberseite: 0 µm
Unterseite: 0 µm
Innere Umfangsfläche: 15 µm
Eckbereich: 0 µm

4. Versuchsergebnisse

In der folgenden Tabelle 5 sind die Versuchs ergebnisse gezeigt. Aus der Tabelle 5 ist ersichtlich, daß die Dauerfe stigkeit im erfindungsgemäßen Produkt gegenüber dem herkömmlichen Produkt erheblich verbessert werden konnte.

Tabelle 5

Wie aus dem Versuchsergebnis des Experimentes E ersichtlich, konnte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abtragung der weißen Schicht eine verbesserte Dauerfestigkeit erzielt werden. Da in diesem Fall der Schleifvorgang an der inneren Umfangsfläche des Basisele mentes nicht ausgeführt wurde, blieb die weiße Schicht an der inneren Umfangsfläche bestehen. Dies hat jedoch auf die Dauerfestigkeit des Kolbenrings keinen Einfluß.

Weiterhin können in dem obigen Experiment die weißen Schichten auf der Oberseite, auf der Unterseite und in den Eckbereichen des Kolben rings vollständig abgetragen werden. Eine solche Schleifbearbeitung benötigt jedoch eine sehr eingehende Qualitätssteuerung und kann hohe Bearbeitungskosten zur Folge haben. Um daher bei der praktischen Verwendung die verbesserte Dauerfestigkeit ohne Erhöhung der Bear beitungskosten zu verwirklichen, hat sich gezeigt, daß es vernünftig ist, die Dicke der weißen Schicht auf ungefähr 5 µm oder weniger zu ver ringern.

Wie oben beschrieben und durch die Experimente belegt, werden in der weißen Schicht, die auf der Außenfläche des Basiselementes des Verdichtungsrings, d h. des Kolbenrings für den Kolben einer Kolben- Zylinder-Baueinheit eines Verbrennungsmotors, vorhanden ist, kaum Risse ausgebildet, so daß die Dauerfestigkeit des Kolbenrings verbes sert werden kann und eine erhöhte Antibrucheigenschaft erzielt wird.

Claims

1. Kolbenring (P), zur Aufnahme in der Kolbennut eines Kolbens einer Brennkraftmaschine mit

- einem einen Spalt aufweisenden ringförmigen Basiselement (11), welches umfaßt:
eine äußere Gleitoberfläche (12), die der Zylinder- Innenwand der Brennkraftmaschine zugewandt ist,
erste und zweite Oberflächen (14, 16), die mit der Gleitoberfläche (12) unterbrechungsfrei über Eckbereiche (13, 15) verbunden sind, und
eine der Kolbennut zugewandte innere Umfangsfläche (17),
- wobei das Basiselement (11) durch eine Nitrierbehandlung außen mit einer Nitrierschicht versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
daß im Bereich der Gleitoberfläche (12) von der Nitrierschicht (2) eine äußere weiße Schicht (20) vollständig entfernt worden ist, so daß eine innere Diffusionsschicht (19) freigelegt ist und
daß in den Bereichen der ersten und zweiten Oberflächen (14, 16) sowie in den Eckbereichen (13, 15) die Dicke der äußeren weißen Schicht (20) auf weniger als 5 µm verringert worden ist.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere weiße Schicht (20) durch Eintauchen des Basiselementes (11) in eine schwach konzentrierte, saure Lösung freigelegt ist.

3. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere weiße Schicht (20) durch Eintauchen in H₂SO₄ freigelegt ist.

4. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere weiße Schicht (20) durch Eintauchen in HCl freigelegt ist.

5. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere weiße Schicht (20) durch Schleifen freigelegt ist.

6. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Verdichtungsring (10) ist.